طبیعت الهام بخش؛ از میگوی آخوندکی تا مواد ضدضربه جدید

داستان از اینجا آغاز شد که پژوهشگران مؤسسه ملی فناوری و استاندارد‌های آمریکا (NIST) یعنی ادوین چان (Edwin Chan) و سوجین لی (Sujin Lee) می‌خواستند بفهمد که چرا بازوی میگوی آخوندکی هنگام خرد کردن پوسته سخت موجودات دیگر نمی‌شکند.

میگوی آخوندکی
میگوی آخوندکی یا دهان‌پا (Mantis shrimp) از سخت‌پوستان دریایی گوشتخوار است. این جانوران نه میگو هستند و نه آخوندک ولی به خاطر همانندی ظاهری با این دو جانور این نام به آنها داده شده است.
این نوع میگو می‌تواند به لطف ساختار‌های منحصر‌به‌فرد اسکلت بیرونی خود پوسته سخت صدف‌ها را با نیروی یک گلوله کالیبر ۰.۲۲ بشکند. در حقیقت چنگال‌هایش می‌تواند با سرعتی قابل مقایسه با یک گلوله کالیبر ۰.۲۲ هنگام شلیک شتاب بگیرد و با هر حمله حدود ۱۵۰۰ نیوتن نیرو وارد کند. 
لی و چان از قبل می‌دانستند که این موضوع به ساختار‌های میکروسکوپی در اسکلت خارجی میگو مربوط می‌شود؛ این ساختار‌ها «ساختار‌های بولیگاند» (Bouligand structures) نام دارند. آنها دست بکار شدند تا این ساختار‌ها را به صورت مصنوعی بازسازی کنند.

روند کار
آنها ساختار‌های میکروسکوپی موسوم به ساختار بولیگان موجود در اسکلت میگوی آخوندکی را که نقش کلیدی در مقاومت آن دارد، با استفاده از نانوکریستال‌های سلولزی که در الیاف گیاهی یافت می‌شود بازسازی کردند. سپس این ساختار‌های مصنوعی را با کمک امواج صوتی با فرکانس بالا مهندسی و اصلاح کردند و در نهایت، مقاومت ورقه‌های نازک حاصل را با شلیک ریزپرتابه‌های ساخته شده از سیلیکا (silica) مورد آزمایش قرار دادند.

نتایج
پژوهشگران دریافتند هرچقدر ورقه‌های نازک، ضخامت کمتری داشته باشند، انرژی ضربه را کمتر پراکنده می‌کنند و در نتیجه فرورفتگی دائمی بیشتری روی سطح آنها باقی می‌ماند. در مقابل، هرچقدر ورقه‌ها ضخیم‌تر باشند، بهتر می‌توانند انرژی ضربه را به شکل امواج درون ساختار خود پراکنده کنند که این موضوع باعث کاهش آسیب سطحی و افزایش مقاومت ساختار می‌شود.
دانشمندان همچنین دریافتند که با مهندسی دقیق ضخامت و چگالی این ساختار‌های نانومتری، می‌توان میزان مقاومت مواد جدید را در برابر ضربه کنترل و بهینه‌سازی کرد.
نتایج پژوهش‌های آنها در مجله «پی‌ای‌ان‌اس» (PANS) منتشر شده است.

کاربرد‌های صنعتی
یافته‌های این پژوهش در صنایع مختلف کاربرد دارد:
صنایع فضایی: ساخت پوشش‌های مقاوم برای فضاپیما‌ها تا بتوانند در برابر برخورد ریزشهاب سنگ‌ها یا زباله‌های فضایی مقاومت کنند. همچنین با استفاده از این مواد مقاوم می‌توان دوام و ایمنی ماهواره‌ها و ایستگاه‌های فضایی را در برابر ضربه‌های پرسرعت افزایش داد.
مهندسی عمران و ساختمان‌سازی: تولید مواد مقاوم در برابر انفجار برای سازه‌های مهم مانند ساختمان‌های دولتی یا مراکز حساس یا زیرساخت‌های حیاتی و نیز طراحی شیشه‌های ضد ضربه و مقاوم در برابر شکستن.
صنایع نظامی و دفاعی: ساخت کلاه خود، سپر، شیشه‌های ضد گلوله.
صنایع ورزشی: تولید کلا‌ه‌های ایمنی پیشرفته برای ورزشکاران حرفه‌ای مانند دوچرخه‌سواران، اسکی‌بازان یا بازیکنان فوتبال آمریکایی و نیز محافظ بدن و لباس‌های تخصصی.

زیست‌تقلید یا زیست الهام
این پژوهش در زمره پژوهش‌های زیست‌تقلید قرار می‌گیرد و نشان می‌دهد چگونه با الگوبرداری از طبیعت می‌توان آینده‌ای ایمن‌تر، هوشمندتر و پایدارتر ساخت.
 زیست تقلید (Biomimetics)، تقلید از مدل‌ها، سیستم‌ها و عناصر طبیعت به منظور حل مشکلات پیچیده انسانی است. 
طبیعت حاصل میلیارد‌ها سال تکامل است. موجودات زنده در طول زمان با چالش‌های مختلفی رو‌به‌رو شده‌اند و بهترین و کارآمدترین راه‌حل‌ها را برای بقای خود پیدا کرده‌اند. دانشمندان با الهام گرفتن از این سازوکار‌ها می‌توانند مواد مقاوم‌تر تولید کنند، سیستم‌های پایدار طراحی کنند و فناوری‌های دوستدار محیط زیست را توسعه دهند و ایمنی زندگی انسان‌ها را بهبود ببخشند.